盾構輸水隧洞安全監測設計方案探討

李敏華

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

廣東屬于熱帶和亞熱帶季風氣候區,雨量較充沛,雨熱同期,但水資源逐年減少,且存在水資源分布不均、開發利用不平衡、應急備用水源不足等問題,部分地區缺水嚴重。根據2021 年廣東省水資源公報,全省水資源比2020 年減少24.9%,比常年偏少33.7%,水資源日益短缺,通過引調水工程配置水資源,提高水資源的利用率尤為迫切。隨著引調水工程的興起,盾構輸水隧洞的安全監測是工程安全運行的重要部分,本文主要探討了環北部灣水資源配置工程某盾構隧洞段的永久監測方案,為同類工程監測設計提供參考。

1 盾構隧洞的特點及監測設計技術難點

1.1 盾構隧洞的特點

盾構隧洞是采用盾構法掘進并拼裝預制管片襯砌的隧洞。盾構法是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法[1],在鋼殼體保護下完成隧道掘進、出渣、管片拼裝等作業,采用機械為由主機和后配套設備組成的全斷面推進式隧道施工機械設備。

盾構法施工具有施工效率高、對圍巖擾動小、環保等優點,適合長距離隧道建設,主要缺點是遇復雜地質需做超前處理或輔以鉆爆法開挖,二次襯砌與掘進無法同時施工,施工周期較長。

1.2 安全監測的技術難點

安全監測的主要目的是：通過儀器監測和巡視檢查等手段來了解和掌握建筑物的工作狀態,以便綜合分析建筑物的安全狀況；根據監測資料對建筑物的結構特性進行分析,用以檢驗施工質量和驗證設計,為提高設計、施工和運行水平提供科學依據。

由于盾構輸水隧洞采用全機械化掘進的施工方式,在掘進的同時拼接安裝襯砌管片塊,隧洞結構與傳統鉆爆法隧洞迥然不同,盾構隧洞監測儀器安裝的工作空間、時間及埋設條件等十分有限,如何根據盾構隧洞的結構、施工方法及地形地質等條件確定安全監測項目、布置及監測儀器的安裝方法是盾構輸水隧洞安全監測的主要技術難點。

2 盾構輸水隧洞監測設計方案

2.1 工程概況

環北部灣水資源配置工程某盾構隧洞段的盾構隧洞級別為2 級。盾構隧洞長約10 km,起于庫區取水口,經長約7.7 km的盾構隧洞,后銜接約3.7 km 的PCCP 管道,管道后接約2.4 km的盾構隧洞,輸水至泵站進水前池。盾構輸水隧洞外襯采用預制鋼筋混凝土管片,外徑為5.8 m,內徑5.2 m,襯砌管片厚0.3 m,襯砌環寬1.5 m,襯砌管片通過螺栓連接；內襯采用鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚0.4 m；輸水隧洞內徑為4.6 m,隧洞最大埋深約280 m。該段引水線路盾構隧洞所經不良地質情況主要有斷層、節理、溶洞段、富水段等。

2.2 監測項目的選擇

環北部灣水資源配置工程某盾構隧洞為管片+鋼筋混凝土襯砌結構,隧洞整體主要承受豎向及側向土壓力、豎向及側向水壓力、地層水平抗力、豎向地層反力、上覆荷載、內水壓力、自重等荷載,盾構隧洞運行期的結構安全主要通過混凝土的承載力安全系數、抗浮穩定性抗力系數、裂縫寬度、接縫張開量、螺栓抗拉允許應力、收斂變形量等指標判別（見表1）,相應需掌握隧洞實際土壓力、鋼筋應力、混凝土應力應變、外水壓力、接縫開合度、螺栓應力、隧洞收斂等情況,通過儀器監測及巡視檢查實現監測[2]。

表1 盾構隧洞結構設計安全標準值

綜合考慮以上因素,并根據規范要求,確定儀器監測項目為：圍巖收斂變形、襯砌管片接縫開合度、隧洞外水壓力、隧洞襯砌的滲透壓力、隧洞承受的土壓力（界面壓力）、盾構隧洞及內層襯砌的鋼筋應力及混凝土應力應變等項目。

2.3 監測儀器型式的選擇

巖土工程監測儀器主要有傳統的電測類傳感器（振弦式/差阻式等）及新型的光纖傳感器（光纖光柵傳感器/分布式光纖等）。電測傳感器的主要特點是：應用廣泛,技術成熟,監測數據較穩定,經濟性好,但信號傳輸距離較短,僅實現局部定點測量,存在零點漂移的問題,對電纜絕緣有較高的要求。光纖傳感器的主要特點是：測量范圍廣,可實現隧洞的全程監測,無絕緣要求,信號傳輸距離長,不受電磁干擾,全程光纖鋪設對施工進度影響較大,維護工作量較大,施工和運行維護技術要求較高[3],易損壞,光纖解調時間較長,精度受溫度、解調儀、安裝工藝等因素影響,存在零點漂移等問題[4]。

由于隧洞監測斷面與測站（設于盾構井）的距離為1000 m左右,傳統電測傳感器信號傳輸距離能滿足要求。鑒于盾構隧洞設計使用年限為100年,考慮監測儀器的穩定性、可靠性、施工與運維難度以及經濟性原則,監測儀器采用傳統電測傳感器。

2.4 監測布置方案

為掌握盾構輸水隧洞在運行期的安全性態,為輸水隧洞的安全運行提供依據,根據隧洞結構及布置、地形地質條件,選取不良地質洞段、深埋段、淺埋段及過鐵路、公路段等重點或關鍵部位設置監測斷面進行儀器監測,共設置10 個監測斷面,并對隧洞進行巡視檢查。

2.4.1 圍巖變形監測

在每個監測斷面各布置3 個收斂測點,采用收斂計或全站儀進行監測,用于監測圍巖收斂情況。監測精度不低于±2 mm。

2.4.2 接縫開合度監測

在每個監測斷面環向管片接縫處布置6 支測縫計,用于監測輸水隧洞盾構管片之間環向接縫的開合狀態。測縫計監測精度不低于±0.2 mm。

2.4.3 滲流監測

（1）外水壓力監測

在每個監測斷面盾構管片外弧面頂部及腰部一側各布置1 支滲壓計,用于監測輸水隧洞承受的外水壓力情況。滲壓計精度不低于±0.5%F.S。

（2）滲透壓力監測

在每個監測斷面的盾構管片內表面底部和腰部一側各布置1 支滲壓計,用于監測輸水隧洞內層襯砌的滲透水壓力變化情況。滲壓計精度不低于±0.5%F.S。

2.4.4 應力應變監測

（1）應力監測。在每個監測斷面盾構管片外弧面頂部及腰部兩側位置各布置1 支土壓力計,用于監測輸水隧洞承受的壓應力情況。土壓力計監測分辨力不低于±0.05%F.S。

（2）鋼筋應力監測。在每個監測斷面輸水隧洞的管片及混凝土內襯頂部及腰部一側的環向鋼筋上各布置1 支鋼筋計,在管片及混凝土內襯頂部的縱向鋼筋各布置1 支鋼筋計,每個斷面6 支鋼筋計,用于監測輸水隧洞管片及混凝土內襯的鋼筋受力情況。鋼筋計監測分辨力不低于±0.05%F.S。

（3）混凝土應變監測。在每個監測斷面輸水隧洞混凝土內襯的頂部、腰部一側的環向各布置1 支應變計,在內襯的頂部縱向布設1 支應變計,每個監測斷面3 支應變計,同時,在每個監測斷面輸水隧洞混凝土內襯底部布置1 支無應力計,用于監測輸水隧洞混凝土內襯的應變情況。應變計監測分辨力不低于±0.15%F.S；無應力計監測分辨力不低于±0.05%F.S。

（4）螺栓應力監測。在每個監測斷面6 支環向螺栓的外弧面的中間部位刻槽各布置1 支螺栓應力計,用于監測盾構襯砌管片螺栓的應力狀態。

2.4.5 巡視檢查

巡視檢查主要檢查隧洞、進出口建筑物等主要結構有無混凝土碳化、鋼筋銹蝕、裂縫的開合/傾斜/錯動、結構損傷、排水管堵塞、止水失效等情況；檢查邊坡有無塌陷、裂縫、滲漏、破損等情況；檢查監測設施、電氣設備等設施的工作情況。

2.4.6 儀器安裝埋設技術要點

根據盾構隧洞的施工特點及施工要求,鋼筋混凝土管片對防水及裂縫有較為嚴格的要求（管片抗滲等級不小于P10,裂縫寬度不得大于0.2 mm[5]）,監測儀器傳統鉆孔法安裝對管片結構破壞性大[6],不能滿足工程要求,考慮采用預埋或預制安裝套件的方式實現儀器的安裝,盾構輸水隧洞監測斷面見圖1。

圖1 盾構輸水隧洞監測斷面圖

（1）管片外側的土壓力計：在預制襯砌管片時預留凹槽安裝土壓力計,土壓力計應低于管片外弧面0.5 cm,儀器線纜應沿鋼筋用尼龍扎線綁扎好引至尾纜保護筒內保護,避免管片混凝土振搗時損壞儀器尾纜。

（2）管片外側的滲壓計：考慮管片安裝后的壁后注漿會損壞滲壓計,在管片預制前根據滲壓計尺寸制作好滲壓計安裝不銹鋼套筒部件,在預制襯砌管片時預埋滲壓計不銹鋼套筒,用于襯砌管片拼接完成后安裝襯砌管片外側的滲壓計。滲壓計在管片壁后注漿完成后進行安裝,滲壓計透水端應穿過管片外弧面20 cm。滲壓計不銹鋼套筒和滲壓計安裝完成后應做好封堵止水措施,確保封堵體能抵抗不低于0.5 MPa的水壓,管片外側滲壓計套筒見圖2。

圖2 管片外側滲壓計套筒示意圖

（3）鋼筋混凝土襯砌內的鋼筋計需在鋼筋籠綁扎時對鋼筋計進行焊接安裝,應變計和無應力計宜在混凝土振搗后及時埋設。

（4）管片內側的測縫計：測縫計應垂直于管片接縫面安裝。在預制管片時,根據儀器安裝位置在兩塊相鄰管片之間預留凹槽,并預埋固定測縫計所需的錨桿,儀器安裝完成后不應外凸。在管片拼裝完成后,對溝槽內外露鋼筋進行除銹及涂抹防腐層后再安裝測縫計,并考慮采用保護盒對測縫計和尾纜進行密封保護,管片測縫計安裝示意圖見圖3。

圖3 管片測縫計安裝示意圖

（5）螺栓應力計：確定擬安裝螺栓應力計的螺栓,利用直螺栓進行刻槽。刻槽的槽內保證光滑,嚴禁有楞刺等不規整槽型。在螺栓彎曲定型時保證刻槽位置處在彎曲的正上方,防止偏斜。在螺栓安裝前,在螺栓槽內安裝螺栓應力計和尾纜,螺栓應力計安裝在螺紋端頭100 mm 處開始,不能超出牙型角底部,防止螺母擰緊時破壞引線。

（6）需對管片上預留的溝槽、開孔和鉚釘孔的混凝土結構表面以及對安裝完成后的鉚釘表面進行防腐防護,并做好防水措施。

（7）在儀器安裝埋設時應做好儀器和電纜的保護,確保電纜絕緣。監測儀器的檢驗率定、安裝埋設、監測資料采集分析和樞紐建筑物的巡視檢查應滿足規范要求。

2.5 監測自動化及防雷接地

某工程監測中心位于泵站處,在隧洞監測斷面就近的盾構井處設監測站,監測站采用太陽能電源供電,監測數據通過工程的通信光纜及無線傳輸模塊的方式傳輸至監測中心,實現自動化采集。

隧洞監測系統的防雷接地需注意做好數據采集裝置監測數據接入、數據輸出以及電源等方面的防雷措施,對暴露在外需長距離信號傳輸的電纜采用鋼管保護,電纜保護鋼管及測站等應接入地網,接地電阻不大于10Ω。

3 結語

通過探討盾構輸水隧洞永久安全監測的項目選擇、方案布置及儀器安裝要點等內容,提出一種盾構隧洞安全監測設計方案,為類似工程的監測設計提供一些參考。